从阿波罗到嫦娥：光学光热红外技术助力解锁月球有机分子奥秘！
在人类深空探索历程中，月球作为封存太阳系化学演化信息的天然 “时间胶囊”，是认知宇宙物质循环与生命起源的关键载体。近日，中国科学院地质与地球物理研究所的董明潭等研究人员基于嫦娥五号、嫦娥六号月球返回样品的研究成果（Dong et al., 2026, Science Advances），突破性证实月球表面存在撞击改造的含氮有机物，而光学光热红外技术（O-PTIR） 为该重大科学发现提供了核心分子级表征支撑，成为深空样品分析的重要技术工具。
月壤中的“生命积木”
研究团队对嫦娥五号（月球正面风暴洋）、嫦娥六号（月球背面南极-艾特肯盆地）样品开展精细分析，系统识别颗粒状、附着状、包裹体状三类含碳氮有机物，排除陆地污染干扰，明确其外源撞击—蒸发—冷凝的成因。
O-PTIR光谱学证据显示，月壤有机物中存在酰胺官能团（-CONH-），该结构是氨基酸、多肽与蛋白质的核心连接键，属于关键生命分子前体。这一发现证实：陨石、彗星撞击不仅为月球输送碳、氮基础元素，更在撞击高温高压条件下，实现复杂含氮有机物的原位合成，月球是持续数十亿年的天然非生物有机合成体系。
从阿波罗到嫦娥
早在2014年，NASA 的 K. L. Thomas-Keprta 等研究人员便利用荧光显微与拉曼光谱技术，在阿波罗17号月球火山碎屑玻璃表面识别出微米尺度的有机物（图1）。当时，研究人员通常需要先借助荧光显微镜寻找并定位潜在有机质，再将目标区域转移至显微拉曼系统中进行重定位和光谱分析。拉曼结果表明，这些阿波罗样品中的有机物主要表现为无定形碳结构。
不过，受限于当时的分析手段，人们仍难以进一步解析这些微米级有机颗粒的官能团特征。传统显微傅里叶变换红外光谱（FTIR）受光学衍射极限制约，空间分辨率通常仅为 10–20 μm，难以对微米级月球有机颗粒开展精确的化学键识别。另一方面，AFM-IR 也难以适应月壤颗粒表面显著的形貌起伏，因而无法稳定获取能够表征官能团信息的红外光谱，这在一定程度上限制了对月球有机物形成与演化过程的深入认识。
而今天，随着嫦娥五号和嫦娥六号月壤样品的成功返回，以及红外表征技术的持续发展，特别是 O-PTIR 及其配套的荧光—红外—拉曼联用技术体系的出现，为突破这一瓶颈提供了新的机遇。
图1. 阿波罗17号月壤火山碎屑玻璃表面有机物的拉曼光谱 (K.L.Thomas-Keprta等，2014)
O-PTIR：在微米尺度上进行分子探微
光学光热红外技术O-PTIR（Optical Photothermal Infrared）突破传统红外显微表征的空间分辨率瓶颈，以创新原理实现高分辨分子探测。该技术采用可调谐脉冲红外激光激发样品，使分子因吸收特定波长的红外光而产生局部光热膨胀。通过532 nm可见光探针激光实时读取热膨胀信号，无需直接检测红外吸收，即可获取与傅里叶变换红外光谱一致的化学指纹信息，空间分辨率稳定达～500 nm，实现亚微米级有机微区的精准表征。
同时，O-PTIR 可与荧光和拉曼系统集成联用，使研究人员能够在同一台设备上完成目标有机质的定位与多模态分析：首先借助荧光显微镜快速识别潜在有机质区域，随后在同一位置精确获取红外光谱和拉曼光谱。这样的联用模式避免了样品在不同仪器之间的转移，不仅提高了微区重定位的准确性，也降低了分析过程中外源陆地污染引入的风险。
图2. 基于光学光热红外技术 O-PTIR的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统
在本研究中，O-PTIR在单个有机颗粒上成功解析出：
2922 cm⁻¹、2852 cm⁻¹：清晰的 CH₂ 伸缩振动，证明脂肪链结构存在；
1655 cm⁻¹、1548 cm⁻¹：典型的酰胺 I 带（C=O）和酰胺 II 带（N-H），直接证实了含氮有机官能团；
1710 cm⁻¹：中性羰基（C=O），可能来自酮、醛或酯；
~1610 cm⁻¹ 与 ~1410 cm⁻¹：羧酸盐的对称与不对称伸缩振动，暗示可能存在氨基酸盐或铵盐结构。
图3. A 为二次电子像叠加碳元素能谱面分布图，显示颗粒表面存在一个富碳的颗粒状有机物区域；B–C 分别为碳与氮的能谱面分布图，色标代表相对强度；D 为同一颗粒的自动荧光图像，表明存在共轭π结构；E 为O-PTIR化学成像，选取了2922 cm⁻¹与2852 cm⁻¹（CH₂伸缩振动）、1655 cm⁻¹（酰胺I带，C=O）及1548 cm⁻¹（酰胺II带，N-H）等特征振动波段进行成像，直观呈现官能团的空间分布；F 为代表性O-PTIR光谱，彩色谱线采集自有机物颗粒，灰色谱线来自邻近无有机物的矿物表面作为背景对照。O-PTIR技术在此清晰解析出酰胺I与酰胺II双峰特征，直接证明了含氮有机官能团的存在，为月壤中撞击成因含氮有机物的识别提供了关键分子级证据。所有比例尺均为20微米
图4. A 为二次电子像叠加碳元素能谱面分布图，显示颗粒表面的附着状有机物区域（CE5-P6）；B–C 为该区域的碳与氮能谱面分布图，色标代表相对强度；D 为同一颗粒的自动荧光图像；E 为O-PTIR化学成像，选取2925 cm⁻¹与2853 cm⁻¹（CH₂伸缩振动）及1464 cm⁻¹（CH弯曲振动）进行成像；F 为附着状有机物的拉曼光谱；G 为O-PTIR光谱，彩色谱线采集自附着状有机物，黑色谱线来自邻近的普通辉石表面作为矿物背景，紫色阴影区标示辉石的Si-O晶格吸收；H 为包裹状有机物（CE5-P7）的二次电子像叠加碳元素面分布图；I–J 为碳与氮的能谱面分布图；K 为同一包裹状有机物的荧光图像；L 为包裹状有机物的O-PTIR光谱（彩色谱线）与邻近矿物背景（黑色谱线），由于该颗粒边缘地形陡峭，未能采集O-PTIR化学成像图。所有比例尺均为10微米。O-PTIR技术在本图中同样发挥了关键作用：它成功从附着状与包裹状两类有机物中获取了高质量红外光谱，有效排除了矿物基体干扰，为酰胺、羧酸盐及脂肪族结构的存在提供了独立于拉曼光谱的互补证据，进一步证实了月壤中含氮有机物的多样性及其撞击成因属性。
文中图3与图4展示了O-PTIR采集的典型光谱与化学成像图，清晰地区分了有机物与周围矿物基质的信号差异。研究人员甚至能够在同一颗粒上，无需剥离样品即可获取附着状与包裹状有机物的独立光谱，填补了传统红外技术无法解决的技术空白。
正是这些由O-PTIR获取的高空间分辨红外光谱，为文章关键的结论提供了直接证据：月球表面存在经过撞击改造的含氮有机物，并且这些有机物中含有酰胺（-CONH-）官能团。酰胺键是连接氨基酸形成多肽与蛋白质的核心化学键，也是生命分子网络的重要节点。此前，尽管碳质 球粒陨石及小行星Ryugu、Bennu样品中曾报道过类似含氮有机物，但在月球表面——这个长期被认为极度干燥、辐射强烈的环境中——从未被如此明确地证实。O-PTIR在亚微米尺度上同时解析出C=O（酰胺I带）与N-H（酰胺II带）的振动特征，排除了矿物基体干扰或简单碳氢化合物的可能性，从而有力支持了“撞击蒸发—冷凝过程不仅能够保存、甚至可能原位合成含氮有机分子”这一颠覆性认识。这意味着，即使在没有大气、没有液态水的天体上，撞击作用本身就可以成为一种“非生物有机合成工厂”，为人类在月球、火星等深空环境中寻找或制造生命相关分子提供了全新的理论依据与探测目标。
为何O-PTIR成为深空样品分析的“利器”？
在嫦娥样本这类珍贵、异质、微区结构复杂的深空材料研究中，O-PTIR展现出三大核心优势：
突破衍射极限的高空间分辨率：传统FTIR空间分辨率通常在10–20 μm，而O-PTIR可稳定达到~500 nm，精准匹配亚微米级有机“热点”的尺寸。
无需标记、无需接触、无需特殊制样：样品可直接在SEM或光学显微镜下定位，保持原始状态，避免污染或损伤——这对珍贵如星辰的月壤颗粒至关重要。
与荧光、拉曼、电镜无缝联用（图5）：研究中O-PTIR与SEM-EDS、荧光成像、拉曼光谱、NanoSIMS及STEM-EELS形成完整的“协同观测链”，从宏观形貌到分子结构再到同位素组成，层层递进，不留盲区。
图5. 嫦娥五号和六号月壤中有机物表征流程图，O-PTIR提供无损谱学表征支持
正是凭借这种“在微米世界中听分子低语”的能力，O-PTIR让研究者得以在不破坏样品的前提下，直接“看见”并“辨认”月壤中那些来自宇宙深处的含氮有机物。
月球化学与人类深空探测征程
该研究证实，撞击作用可作为天体表面非生物有机合成的天然机制，为月球、火星及小行星等稀薄或缺乏大气、表面缺乏稳定液态水的天体上的生命分子探寻提供全新理论依据与探测方向。
美国宇航局阿尔忒弥斯（Artemis）计划提出，月球南极原位资源利用（水冰、有机物、矿物）是深空生存的核心基础。嫦娥系列样品的研究成果明确月球表面存在可利用碳氮有机组分，而 O-PTIR 技术作为月球有机物原位探测、分子鉴定的核心工具，可为月球基地生命支持系统碳源评估、有机分子原位合成技术研发提供关键技术支撑，推动人类从月球探索走向月球长期驻留与深空移民。
结语：在月壤中，看见人类的未来
每一粒月壤，都是一封来自过去的信。而O-PTIR，让我们第一次能够在不拆封信件的情况下，读懂其中用分子语言写下的段落。从阿波罗到嫦娥再到阿尔忒弥斯，从月面有机物到未来月球基地，人类正在一步步将浪漫的梦想，转化为严谨的科学与坚实的技术。
当我们再次仰望那轮明月时，或许可以想到：在它的尘埃深处，藏着宇宙赠予生命的秘密，而我们，正在学会倾听。
其他应用领域（部分）
1. 环境微塑料
微塑料颗粒（~600 nm）的O-PTIR光谱及成像分析
(引自Microscopy Today, 2022, 17, 3, 76-85)
2. 高分子材料
1210 cm-1处采集的PP/PTFE的O-PTIR光谱和显微图像
(引自Materials & Design, 211 (2021), 17, 110157)
3. 半导体
薄膜晶体管显示器中污染物的O-PTIR分析
器件表面缺陷的红外和拉曼光谱同步（同时间、同位置）分析
(引自Microscopy Today, 2020, 28, 3, 26-36)
4. 地球化学
无损石油包裹体测试
（引自Analytical chemistry：Molecular Fractionation of Ancient Organic Compounds in Deeply Buried Halite Crystals，doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02956）
5. 生命科学
脑组织的明场显微图像、O-PTIR光谱及成像分析
6. 文物鉴定
柯罗19世纪绘画作品中锌皂异质性的O-PTIR显微光谱及成像分析
(引自Anal. Chem. 2022, 94, 7, 3103–3110)
样机体验：
为满足国内日益增长的新型红外表征需求，更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，QD中国科学实验中心引进了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，为您提供样品测试、样机体验等机会，期待与您的合作！ 欢迎您通过电话：010-85120277/78、邮箱：info@qd-china.com或扫码下方二维码联系我们。
参考文献
[1]. Impact-processed nitrogen-bearing organics in Chang’e-5 and Chang’e-6 lunar regolith. Science Advance. Dong et al., Sci. Adv. 12, eaed4951(2026)